微觀尺度的流體混合

什么是流體混合?

流體混合是工業(yè)過(guò)程中的一種組合操作，它涉及處理不均勻的物理(氣體或液體)系統(tǒng)，使其更加均勻。例如，流體混合被用來(lái)增強(qiáng)單個(gè)系統(tǒng)的不同組件之間的熱和/或質(zhì)傳遞。
流體混合可以理解為將一種不相容的液體混合到另一種不相容的液體中。例如，在制造乳劑(油中的水或水中的油)時(shí)。
流體混合也可能意味著氣體進(jìn)入液體中。例如，當(dāng)以高剪切速率將氣體注入含有肥皂的溶液中而產(chǎn)生泡沫時(shí)。

是什么驅(qū)動(dòng)流體在微尺度上混合？

流體在微觀尺度上的混合行為與在宏觀尺度上的表現(xiàn)截然不同。事實(shí)上，在這種尺度下，擴(kuò)散占主導(dǎo)地位，除非受到水力梯度的強(qiáng)迫，否則不會(huì)發(fā)生正常平流。
擴(kuò)散是一種緩慢的機(jī)制。因此，許多研究人員都在尋找增強(qiáng)流體混合的方法，并創(chuàng)造了微流控微混合器。
為了評(píng)估混合效率和混合過(guò)程中的主要機(jī)制，通常使用一個(gè)稱為Peclet數(shù)(Pe)的無(wú)量綱數(shù)-它描述平流與擴(kuò)散的比率。對(duì)于Pe>1，平流起主導(dǎo)作用；當(dāng)Pe<1時(shí)，擴(kuò)散起主導(dǎo)作用。

Pe =(流速×混合路徑)/擴(kuò)散系數(shù)

微流控器件的積極發(fā)展和改進(jìn)已經(jīng)在從生物醫(yī)學(xué)診斷研究、微型微流控和納米流控生物傳感器的開(kāi)發(fā)、DNA分析、化學(xué)合成到基因組學(xué)研究等各個(gè)工程應(yīng)用領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)展。

實(shí)際上，微流體系統(tǒng)中的通道尺寸是以微米為單位測(cè)量的。這使得作業(yè)者大幅減少樣品/試劑的消耗，這是許多應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。

如何在微觀尺度下實(shí)現(xiàn)流體混合?

微尺度下的樣品流動(dòng)為層流，對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)較小。因此，在這樣的層流中，兩種液體之間不能發(fā)生傳統(tǒng)的湍流混合。然而，可控和快速的混合對(duì)于許多應(yīng)用領(lǐng)域是至關(guān)重要的，這導(dǎo)致了許多后續(xù)實(shí)際發(fā)展的微流控和芯片上實(shí)驗(yàn)室裝置，通常用于涉及許多試劑和樣品的分析。

研究人員發(fā)現(xiàn)了許多微流體技術(shù)來(lái)增強(qiáng)混合，從使用Y結(jié)和T結(jié)裝置，三向交叉和設(shè)計(jì)，兩種流體之間的界面面積增強(qiáng)到扭轉(zhuǎn)通道(多層、環(huán)狀、波狀)，迫使兩種流體混合。

微流體蛇形混合器在微流體裝置中的實(shí)例

在過(guò)去的二十年里，各種微流體混合器得到了發(fā)展。微流體混合器分為兩類:被動(dòng)和主動(dòng)流體混合器。

具有細(xì)長(zhǎng)通道的微流體被動(dòng)混合器允許使用所謂的“人字形”混合結(jié)構(gòu)來(lái)加強(qiáng)擴(kuò)散混合。

帶有集成攪拌棒的微流體活性混合器能夠產(chǎn)生混合比例范圍更廣的混合物(最高可達(dá)1:10混合比)，如蛇形混合器。

無(wú)源和有源混合器的區(qū)別是什么?

被動(dòng)微流體混合器

被動(dòng)微流體混合意味著混合過(guò)程中不涉及有源元素。在這種情況下，通道幾何形狀的設(shè)計(jì)是為了增加混合過(guò)程中涉及的流體之間的接觸面積或/和接觸時(shí)間。

第一種增加液體之間混合的被動(dòng)方法是加強(qiáng)樣品之間的擴(kuò)散效應(yīng)。為此，樣品可以通過(guò)微流控芯片中包含的各種孔流動(dòng)，或者樣品可以被分成多個(gè)更小的通道。

第二種被動(dòng)方法是增加兩種流體之間的接觸面積和接觸時(shí)間。

根據(jù)被動(dòng)微混合器的類型，混合時(shí)間可以從幾十到幾百毫秒不等(見(jiàn)表一)。

表一:不同無(wú)源微混合器性能對(duì)比表

微流體被動(dòng)微混合器還包括以下內(nèi)容:

T型和Y型微流體混合器

使用層壓的微流體混合器

流體動(dòng)力流聚焦微流體混合器

主動(dòng)式微流控流體混合器

在主動(dòng)混合方法中，混合效率通過(guò)施加在樣品上的外力來(lái)提高。

為了實(shí)現(xiàn)主動(dòng)微流控混合，需要在微流控芯片中加入特定的機(jī)械傳感器。

為了實(shí)現(xiàn)“主動(dòng)”流體混合，可以使用聲波、壓力擾動(dòng)、磁場(chǎng)和熱方法等各種技術(shù)。例如，在混合區(qū)產(chǎn)生的聲波會(huì)增加樣品之間的融合。然而，所涉及的外力會(huì)影響所研究的樣品。超聲波主動(dòng)混合的另一個(gè)缺點(diǎn)是:它們會(huì)引起不可忽略的樣品加熱，這可能導(dǎo)致樣品之間的不良反應(yīng)，特別是在生物應(yīng)用中，樣品對(duì)外部擾動(dòng)和溫度變化非常敏感。混合時(shí)間和效果也取決于主動(dòng)混合器的類型(見(jiàn)表二)。

 然而，混合效率可以通過(guò)主動(dòng)和被動(dòng)方法的組合來(lái)提高，這將導(dǎo)致更復(fù)雜的通道幾何形狀。微流體主動(dòng)微混合器還包括:

壓力場(chǎng)擾動(dòng)混合器

電動(dòng)活性微混合器

超聲微流體混合器

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